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    提高Led出光效率的途徑 下載本文

    提高LED的出光效率方法研究

    摘要:本文介紹了提高LED的出光效率的幾種方法及其研究進展方向,包括優化芯片

    發光層結構;提高光引出效率的芯片技術;光子晶體技術;電極和電流擴展技術;光學薄膜技術;改進光學封裝技術,采用二次光學設計技術等。

    關鍵詞:發光效率 芯片技術 光子晶體 光學薄膜 光學設計

    LED是一種半導體PN結二極管,當有一個正向電壓施加于PN結兩端時,載流子從低能態被激發到高能態并處于不穩定狀態而返回到低能態復合時,根據能量守恒定理,多余的能量將以光子形式釋放。LED這種電致發光原理使其成為一種固體冷光源,而不是像白熾燈等通過使物體升溫而發光的。LED光源是第四代光源,它的出現和發展將引發照明領域中的一次革命,具有劃時代的意義。

    隨著MOCVD外延生長技術和多量子阱結構的發展,人們在精確控制外延生長、摻雜濃度和減少位錯等方面都取得了突破,外延片的內量子效率已有很大提高。像AlInGaP基LED,內量子效率已接近極限,可達100%。由于LED的外量子效率取決于外延材料的內量子效率和芯片的出光效率,提高LED發光效率的關鍵是提高芯片的外量子效率,這在很大程度上取決于芯片的出光效率。同時,LED的封裝結構等也對出光效率有很大的影響。

    提高LED出光效率的技術途徑大概有幾種: 1. 優化芯片發光層結構;

    2. 提高光引出效率的芯片技術; 3. 光子晶體技術;

    4. 電極和電流擴展技術; 5. 光學薄膜技術;

    6. 改進光學封裝技術,采用二次光學設計技術等。

    一、 優化芯片發光層結構

    通過設計不同的發光層結構,可以提高LED的光效。主要采用兩種發光層結構:雙異質結和量子阱結構。雙異質結的P區和N區有帶隙不同的半導體組分,兩個勢壘層對注入的載流子起限域作用,即通過第一個異質結界面擴散進入活性層的載流子,會被第二個異質結界面阻擋在活性層中,只是雙異質結的活性層厚度遠小于同質結,從而有效地提高注入載流子濃度和復合效率。量子阱結構取決于活性層的厚度,不同的厚度活性層對載流子的限域和效率提高有不同作用。采用量子阱結構的活性層可以更薄。

    二、 提高光引出效率的芯片技術

    傳統LED用透明環氧樹脂醬LED芯片和導線架包封后的只能控制叫狹窄范圍內的光線,因而會造成較大的光損失,使光的利用率收到限制。芯片和環氧樹脂,不透明襯底材料對光的吸收也會造成LED的光效降低。主要采用以下幾種技術和方法提高LED的光引出效率:

    1、 在芯片與電極之間加入后窗口層,可以有效地擴大光引出角錐提高出光效率; 2、 雙反射DR和分布式布拉格反射DBR結構

    提高LED發光效率的方法根本上上可分為兩種,分別是增加芯片(chip)本身的發光量;另一種方法是有效利用芯片產生的光線,增加光線照射至預期方向的照射量。前者是設法提高芯片活性層的發光效率,以及改善芯片形狀增加外部取光效率,或

    是將芯片大型化利用高密度電流增加發光量;后者是利用光波控制技術,亦即利用封裝樹脂形成特殊的光學結構,使芯片產生的光線照射至預期的方向。

    DB LED采用在環氧樹脂與空氣接口處形成全反射面,利用一個反射鏡使全反射面全反射的光線先前反射,是光線朝預訂方向射出,從而大大減小光損失。如下所示:

    DBR LED 由交替的多層高折射率和低折射率的材料組成,每層的光學厚度為發射波長的1/4.周期越多,折射率差越大,DBR的反射率就越高,從而減少襯底吸收量,適用于難以實現透明襯底的材料,如以GaAs做襯底的AlGaAs和AlInGaP器件。DBR結構直接利用MOCVD設備進行生長,無須再次進行加工處理。其結構如下圖所示:

    3、 倒裝芯片技術

    早起LED芯片為正裝形式,由于藍寶石襯底是絕緣的,所以P型區電極和N型區電極只能被置于外延材料表面的同一側,導致一部分光被歐姆接觸電極和鍵合引線所吸收和遮擋,影響期間的發光效率。倒裝結構可以減小光在LED內部反射而造成的有源層及自由載流子對光的吸收。光在內部的反射次數越多,路徑越長,造成的損失越大。通過改變LED的幾何形狀,可以縮短光在LED內部反射的路程。這種技術于1999年被提出,通過在透明襯底LED基礎上的再次加工,將bonding后的LED晶片導致,切去四個方向的下角,,如下圖所示,斜面與垂直方向的夾角為35°。這種幾何外形可以使內部反射的光從側壁的內表面再次傳播到上表面,而以小魚臨界角的角度初涉,同時使上表面大于臨界角的光重新從側面射出。這兩種過程能同時減小光在內部的光程。

    4、 表面粗糙化紋理結構

    表面粗糙化通過散射光的方向來減少反射,但同時不損傷材料的電學和光學特性。表面粗糙化主要作用是增加透射率,將滿足全反射定律的光改變方向,繼而在另一表面被反射回來原表面時不被全反射而透過界面,起防反射功能。光子的反射路徑被封閉在紋理結構之中,使有源層發出的光子能夠有效的被取出。紋理表面不影響光束角特性,且適用于比例放大的功率型大尺寸LED芯片。表面粗化與表面粗糙度,晶粒尺寸及晶粒密度有必然的聯系。在考慮出光率的同時,必須盡量減小對電學性能降低的風險。表面粗化使光隨機出射,部分物理學定律失去適用性,因而需要大量的實驗統計分析粗化對出光的影響。

    除了表面粗化,芯片側面也可以粗糙化以提高出光效率。側面粗化后芯片的外量子效率可以超過30%。側面粗化主要是因為針對GaN基等LED器件,通過自然光刻和ICP刻蝕方法,刻蝕深度不容易控制,刻蝕后對器件造成很大的損傷,實現商業化應用很困難。研究表明,側面粗化為三角狀,55°時的出光效率最高,而隨機粗化可以獲得比固定角度粗化更高的出光率。同時,降低材料的吸收系數可以很大提高LED的出光效率,在吸收系數為10/cm時,經過粗化后的LED出光效率可以達到46.1%。

    5、 剝離與透明襯底技術

    采用剝離與透明襯底技術可以有效滴開拓芯片向下引出角錐,可以使發光效率得到很大的提高。透明襯底是通過減少襯底吸收作用的方法。它可以在LED晶片生長結束后,移去吸收光的n-GaAs襯底,利用二次外延生長出透明的,寬近代的導電層。也可以在n-GaAs襯底上生長猴50um的透明層,然后移去GaAs襯底。這兩中技術難題在于價格昂貴,難于生長,且與有源層之間匹配不加。另一種技術為粘合bonding技術,將兩個不同性質的晶片結合到一起,并不改變原來警惕的性質。但這種方法普遍缺點是由于粘合劑的存在,試結合力太弱,界面不透明或界面導電性差。直接bonding技術不需要粘合劑,從而取得較大的發展研究,部分發光效率達到50.1lm/W。

    6、 異性芯片技術:改變LED芯片的形狀,可以提升出光效率; 7、 微芯片陣列:芯片表面積與周邊面積之比為1:14,周邊面積的增加可以提供更大的

    出光面積,從而提升發光效率。

    三、 光子晶體技術

    目前主要用二維光子晶體來提高LED的出光效率,其影響出光效率的主要因素有光子晶體的結構,晶格常數和高度等。利用光子晶體提高LED出光效率的作用方式主要有利用光子禁帶效應原理和利用光柵衍射效應原理。優化光子晶體參數的同時,與其他提高出光效率的技術相結合,是下一階段的研究趨勢。隨著光子晶體加工技術的成熟和設備費用的降低,光子晶體會在將來高亮度和高發光取向型GaN基GaN產品中得到普遍應用。

    四、 電極及電流擴展技術

    電極是LED的重要結構,其設計必須滿足三個方面的條件:意思要求盡可能低的接觸電阻,二是要求電流能分散到芯片截面積上盡可能大的區域,三是要求電極對光的遮擋最小。LED電極結構設計適當,可以減小反射率的變化,提高出光效率。同時,通過

    在LED晶片表面制作網目狀電極,可以增大發光區面積,提高光引出效率。

    五、 光學薄膜技術

    光學薄膜普遍應用于LED,無論是透明電流擴散薄膜還是反射薄膜都能夠顯著提高LED的出光效率。增透薄膜應用于透明電流擴散薄膜,能減少光從有源區到電極之間的損失,增加光透過率;增反薄膜應用于芯片底部,能偶將原來出射到芯片底部而無法利用的光線盡可能反射,從而使這些光線向上射出成為有效出光。其于納米材料等技術結合制備出更高性能的薄膜,將是未來LED光學薄膜的發展趨勢。

    六、 改進光學封裝技術,采用二次光學設計技術

    傳統LED封裝方式由于半導體與封閉環氧樹脂的折射率相差較大,內部的全反射臨界角很小,大部分光在內部經過多次后約有50%被吸收和消耗。提高出光效率,必須改進光學封裝技術,最大限度地減少內部不同材料見折射和反射消耗的光能。現在功率型LED大多采用倒裝焊結構,并在芯片發光層與電極下方設置一個反射層,而且芯片測名的光利用熱襯的鏡面反射出去,從而有效地提高LED的出光率。同時,采用二次光學設計技術,如外加反射杯和多重光學投射等,可以進一步提高出光效率。

    結語:

    隨著LED的發展和普遍應用,提高其出光效率的方法必將獲得迅猛發展。在發光二極管的研制和生產過程中,幾乎沒十年就有一個性能上的大飛躍,這需要一代代人不斷的努力,退出新的方法,同時對已用方法的總結和進一步研究。相信LED一定會為為人類的光明未來做出更大的貢獻。

    參考文獻:

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